Analyse des composés organiques volatils et application à la traçabilité des aliments. Cas particulier du chocolat. Thèse de Diplôme d’État de Docteur en Pharmacie Présentée le 14/06/07 par Christophe SENN devant le jury composé de M Pabst, Président du jury M Marchioni, Directeur de thèse Mme Werner, Membre extérieur

Plan Composés organiques volatils Définitions Importance Techniques d’analyses Appareils à lecture directe Spectroscopie IR et DOAS Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme SIFT-MS et PTR-MS Techniques avec piégeage SPME Head Space dynamique Tout en un : le nez électronique Comparaison des techniques Cas particulier du chocolat Répartition géographique Fabrication et composés volatils du chocolat Méthode d’analyse Statistiques Analyse des composante principales Classification ascendante hiérarchique Analyse factorielle discriminante Conclusion

1.a. Composés organiques volatils Définition scientifique Composés constitués de C et H, pouvant être partiellement ou totalement substitué par les halogènes, O, S, P ou N, dont la pression de vapeur est supérieure ou égale 0,01 kPa à T=293,15 K Définition selon UE Composé organique ayant, dans des conditions normales, une pression de vapeur telle qu’il peut s’évaporer. Directive 2004/42/CE (peintures et vernis): composé organique avec PE ≤250°C à Patm = 101.3 kPa. Directive 94/63/EC (stockage et distribution du pétrole): tout composé gazeux qui s’évapore du pétrole. Classement UK Industrie des enduits  étiquetage selon teneur en COV: Minime - 0% à 0.29% Faible - 0.3% à 7.99% Moyen - 8% à 24.99% Elevé - 25% à 50% Très élevé - plus de 50% Classement selon US CFR Tout composé carboné qui participe à des réactions photochimiques atmosphériques (sauf CO, CO2, carbonates, HCOOH, carbures métalliques et listés).

1.b. Importance : émissions atmosphériques Émissions de Composés Organiques Volatils Non Méthaniques (COVNM) pour l'année 2000 en Poitou Charentes Biotique 62 671 57 % 16 920 15 % Transports routiers 16 691 15 % Industries Autres sources Distribution énergie Résidentiel Agriculture Biotique Industries 9 988 9 % Résidentiel Transports routiers 2 756 2 % Distribution de l´énergie 1 017 1 % Agricole Biotique 90% mondial 16% en France Émission covnm 2.1 millions de tonnes dont 550 kt pour industrie 33 294 528 <0.03 % Autres transports 0.25 % Tertiaire 0.5 % Traitement des déchets TOTAL 110 898 tonnes http://www.emissions-poitou-charentes.org/covnm.htm

1.b. Importance : molécules d’intérêt Analyse des COV déjà utilisée dans…. Industrie chimique : détection des fuites Industrie pharmaceutique : solvants résiduels Industrie cosmétique, parfumerie, aliments: analyse des arômes

1.b. Importance : molécules d’intérêt COV Sigles de qualité Contrôles réglementaires Origine Composition Commerce équitable Spécifications Choix MP

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2.a.i. Spectroscopie IR et DOAS Absorption de rayonnements rapide sensible Interférences gamme limitée 1 COV /analyse  

2.a.ii. Capteurs à photoionisation et ionisation de flamme COV - Anode Cathode rapide sensible Interférences gamme limitée 1 COV /analyse   Lampe UV COV - + + Chambre d’ionisation Analyseur

2.a.iii. Selected Ion Flow Tube et Proton Transfer Reaction – Mass Spectrometry (SIFT-MS et PTR-MS) COV He Quadrupole Tube Résonateur micro-onde Spectro de masse + H2O H3O H2O rapide sensible Très cher 1 COV /analyse  

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2.b.i. Solid Phase MicroExtraction (SPME) Sensible Facile Fidèle (automatique) Fidèle (manuel) Nombreux paramètres Séparation + analyse   Q

2.b.ii. Head Space dynamique GC Piège Sensible Fidèle Paramètres nombreux Séparation + analyse  

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2.c. Tout en un : le nez électronique Prélèvement Séparation Détection Analyse Head Space Capteurs chimiques 1 appareil

2.c. Analogie nez humain - nez électronique Rapide Sensible Fidèle Cher BDD à constituer   Transduction Neurones du bulbe olfactif Capteurs chimiques Prélèvement Appendice nasal Head Space Comparaison Mémoire Base de données Séparation Récepteurs Compilation Logiciel d’interprétation Identification ou apprentissage COV

2.d. Comparaison des techniques ++ +++ Oui Nez électronique SIFT-MS, PTR-MS + Capteurs à ionisation de flamme Capteurs à photoionisation Capteurs infrarouges Non Headspace dynamique SPME Adsorption active, désorption thermique Headspace statique Entraînement à la vapeur d’eau - Extraction liquide/liquide Adsorption passive, plaques d’acier Sacs plastiques, récipients inox Spectroscopie DOAS Tubes à lecture directe Coût Rapidité In process Alimentaire Technique

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3.a. Répartition des cultures de cacaoyer Jamaïque Rep Dom Trinidad Forastero Trinitario Venezuela  Forastero  Criollo Ghana Côte d’Ivoire  Forastero Equateur  Nacional Madagascar  Criollo http://www.icco.org/default.aspx

3.b. Fabrication et composés volatils du chocolat Pertes COV prisonniers ou peu volatils

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3.c. Méthode d’analyse J1 x3 +1 J2 x3 +1 Préparation de l’échantillon 30 g de chocolat rapé (+ 125 µl d’étalon interne) 10 minutes J1 Entraînement à la vapeur d’eau Fraction de 100 ml 37 minutes x3 +1 Extraction liquide/liquide 1 ml d’extrait à l’isooctane 2,5 minutes (Séparation des phases) 1 nuit Chromatographie en phase gazeuse Détection par ionisation de flamme Chromatogrammes 62 minutes J2 x3 +1 Temps de rétention et aire des pics normalisés Traitement des données ~ 30 minutes Analyses statistiques Graphiques

3.c. Entraînement à la vapeur d’eau

3.c. Chromatogrammes Trinidad Venezuela Ghana Madagascar (1) (2) (3) 100 200 µVolts Minutes (3) ABC E D G F H I J K L OP U T S R Q M N V Z4 W X Z Z3 Z1 Y Z2 Y1 ei1 ei2 (2) (1) (4) Trinidad Venezuela Ghana Madagascar

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3.d.i. Analyse des composantes principales Venezuela, Equateur, Madagascar, Côte d'Ivoire, Ghana, Republique Dominicaine, Jamaïque Trinidad

3.d.ii. Classification ascendante hiérarchique

3.d.ii. Classification ascendante hiérarchique Venezuela St Domingue Trinidad Madagascar Equateur Ghana Côte d’Ivoire Jamaïque 3 6 12 8 10 Effectif Classe 7 Classe 6 Classe 5 Classe 4 Classe 3 Classe 2 Classe 1 Classe Equateur  Nacional Venezuela  Forastero  Criollo Afrique  Forastero Caraïbes  Trinitario  Forastero Madagascar  Criollo

3.d.iii. Analyse factorielle discriminante par zone

3.d.iii. Analyse factorielle discriminante par pays

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4. Conclusion Nombreuses techniques. A choisir selon ses besoins. Nez électronique très satisfaisant, en développement. Méthode utilisée simple, robuste Bons résultats : séparation selon origine Objectif atteint … …mais Agrandir la base de données  Origine d’un chocolat inconnu Améliorations possibles  Identification des composés

Merci de votre attention